磁场调制型无刷双转子能量转换器的研究

To meet the urgent demand of energy saving and environmental protection, a novel electric machine with self-owned intellectual property rights, i.e. the magnetic-field-modulated brushless double-rotor energy transducer, is investigated in this project for parallel-series hybrid electric vehicles. The compound-structure electric machine combined by the foregoing machine and a traditional permanent magnet machine not only allows independent speed and torque control of the engine simultaneously, but settles major problems such as over-heated windings and brushes and slip rings required to feed rotating windings. This technology is also suitable for industrial applications where independent speed and torque control is required. In this project, mathematic models based on analytical and finite element analysis will be built for the proposed novel machine. Problems such as the operation rules, design principles and methods, the distribution of inner and outer air-gap magnetic fields, the optimal configuration of the number of magnetic blocks in the modulating-ring rotor and the pole pairs of inner and outer rotors, the circumferential length ratio of the magnetic and non-magnetic blocks and their optimal shapes will be investigated. Besides, the dynamic operation and response characteristics will be discussed, and the optimum control strategy aiming to co-ordinate the double-rotor energy transducer and the torque-regulation motor will be studied in this project. A prototype will be manufactured and experimental research will be carried out. By analytical and experimental research, the specific theory and practical engineering design method regarding the proposed machine will be obtained.

针对当前节能与环保的迫切需求，本项目拟研究一种用于混联型混合动力电动车的具有自主知识产权的新型电机方案- - 磁场调制型无刷双转子能量转换器，该方案与传统永磁电机复合形成的复合结构电机既可以实现发动机转速和转矩的同时独立控制，又能解决当前困扰业内的绕组发热和需要电刷滑环馈电的问题。该技术也可用于其它需要变速和变转矩驱动的工业应用场合。 本项目拟建立该新型电机的解析分析和有限元分析数学模型，研究该种电机的运行规律和设计原则及设计方法，内层和外层气隙磁场的分布规律；调制环转子导磁块数和内、外层磁场极对数的最佳匹配规律；导磁块和非导磁块的尺寸配比和最佳结构形状等问题。研究该种电机的动态运行特性及响应特性等，探求使双转子能量转换器与转矩调节电机协调匹配工作的最佳控制方法和控制策略。研制样机，进行相应的实验研究。通过理论和实验研究，形成该种类型电机的专门理论和工程实用的分析设计计算方法。

本项目研究了一种用于混联型混合动力电动汽车的具有自主知识产权的新型电机方案——磁场调制型无刷双转子能量转换器（Magnetic-Field-Modulated Brushless Double-Rotor Energy Transducer，MFM-BDRET），该方案与传统永磁电机复合形成的复合结构电机既可以实现发动机转速和转矩的同时独立控制，又能解决早期方案中旋转绕组发热和需要电刷滑环馈电的问题。.研究了MFM-BDRET的转速、转矩等运行特性。进一步将MFM-BDRET和机械行星齿轮的运行特性进行了对比分析。根据MFM-BDRET转子与发动机连接方式的不同，提出了两种不同类型的混合动力系统方案，并对两种方案的性能进行了评估，确定了两种方案的适用场合。.提出了MFM-BDRET额定参数和特征参数的设计原则。研究了MFM-BDRET中导磁块和永磁体的最佳尺寸配比、调制环转子中导磁块数与定子、永磁转子极对数的最佳匹配规律、最佳的定子绕组排布方式等设计方法。.对MFM-BDRET功率因数的影响因素进行了分析，并从定子和永磁转子极对数配比、槽形设计、内功率因数角等方面提出了改善功率因数的方法。对MFM-BDRET中各个部分的损耗分布规律进行了定量分析。从电机材料、转子结构等方面提出了降低损耗的方法。.提出了定子水冷和轴向风冷的冷却方案，建立了二维等效温度场模型。为了评估不同冷却方式的冷却效力，研究了不同冷却条件下的温升分布规律。研究了不同混合动力工况对MFM-BDRET温升的影响规律。最终确定了不同工况负载和冷却参数的匹配规律。.建立了电机磁链、电压方程和机械运动方程。根据MFM-BDRET在混合动力系统的功能，确定了MFM-BDRET中两电机协调控制策略。利用Matlab建立了系统仿真模型，仿真结果证明了MFM-BDRET模型及其控制策略的可行性。.研制了一台MFM-BDRET样机，并对样机性能进行了全面的测试和分析，同时对样机在混合动力工况下进行了功能性验证。为MFM-BDRET进一步改进和工程应用提供实验依据。